（交通信息工程及控制专业论文）澜沧江船舶航行诱导系统关键技术研究.pdf

、r ，k 苦， i i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y q i a oc h u n f u ( t r a f f i ci n f o r m a t i o ne n g i n e e r i n g c o n t r 0 1 ) t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r z h a n gy i n g j u n j u n e2 0 1 1 土 0 o f 一 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文= = 逦逾堑墅墅照短透昱丕蕴苤毽筮苤硒塞：! 除论文中已经 注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表 或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：盘查叠 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论 文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式 出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密i - i 在年解密后适用本授权书。 不保密( 请在以上方框内打“寸，) 论文作者签名：前烈吾 导师签名： 日期：沙ff 年么月日 丫 l l ! ： 上 ， 0 ，0 (1 i 工、 o ， 、p 一 ：、 ：r ，、 冬 元物标：含有其他物标共有信息的特征物标。 制图物标：含有真实世界实体制图( 包括文字) 表示的特征物标。 地理物标：携有真实世界实体描述特性的特征物标。 集合物标：描述物标间关系的特征物标。 图2 8s 5 7 概要模型 f i g 2 8s u m m a r ym o d e lo fs 一5 7 s 5 7 数据模型通用性强，它可表示其他数据模型能表示的所有信息，但这使 得s 5 7 数据模型更加复杂，实现起来相对困难一些。s 5 7 中重点描述矢量型空 间物标，空间关系划分为无拓扑、链节点拓扑、平面拓扑和全拓扑4 种拓扑等级。 、 澜沧江船舶航行诱导系统关键技术研究 其中链节点拓扑是制定e n c 数据的指定拓扑类型，点被编码成孤立节点或连接节 点，线被编码成边和连接节点序列，面被编码成从同一节点起始和终止的边闭合 环 2 8 】。禁止线性几何重叠。图2 8 为链节点模型示意图。 图2 9 链节点结构拓扑示意图 f i g 2 9t o p o l o g yd i a g r a m o fc h a i n - n o d em o d e l s 5 7 是面向海洋空间实体定义的。s 5 7 物标类目中包含1 8 0 个物标，其中， 地理物标1 5 9 个、元物标1 3 个、组合物标3 个、制图物标5 个。每一物标类都定 义了一组相关属性集，并分为三个子集( 共1 9 5 个属性) ： 属性a ：该子集中的属性定义某个物标的个体特征； 属性b ：该子集中的属性提供有关使用的信息，例如，用于显示或信息 系统； 属性c ：该子集中的属性提供有关使用物标的管理信息及描述数据。 2 3 2 国内外内河电子航道图标准介绍 在s 5 7 物标类目体系中，对于海上及海岸的内容表达较为完整，仅用1 8 0 个物标和1 9 5 个属性就把海图图式中近千种符号所代表的地理实体定义清楚，通 过一个物标类组合不同的属性项属性值代表图式中的一个符号或图中的一个物 第2 章澜沧江船舶航行诱导系统相关知识介绍 ( 2 9 1 。经过广泛的应用，证明s 5 7 基本符合海图内容中各类目标的表达。但若是 接将s 5 7 应用于内河电子航道图的数据表达，则存在诸多问题。例如：内河航 中航标系统与海上存在较大差异、内河存在跨河物标和整治工程、内河的两岸 物要素与沿海差别较大、内河的岸线类型更为丰富等。因此，直接使用s 5 7 有物标类目体系，难以对内河内容进行有效表达，需要新增物标、属性和值域， 现有体系进行扩展【3 0 。3 1 1 。 在内河电子航道图制图方面，目前还没有得到业内广泛认可的技术标准和规 范，内河电子航道图标准化问题依然困扰着各国水道测量机构d 2 。目前，内河电 子航道图的生产有两种方法，一种是在s 5 7 标准下寻求最接近的物标编码来生产 内河电子航道图，一种是基于具体的内河物标对s 5 7 标准进行修改扩充，形成地 区性标准，并基于新标准生产内河电子航道副3 3 琊】。 ( 1 ) 北美欧洲i n l a n d e n c i n l a n de n c 编码指南是由成立于2 0 0 3 年的欧洲北美内河电子航道 图协调工作组( t h ei n l a n de n ch a r m o n i z a t i o ng r o u p ( i e h g ) ) 经过多年不懈努 力而制定的一套适用于北美和欧洲的内河电子航道图编码规范，该规范己广泛应 用于欧洲、北美、俄罗斯内河流域的电子航道图制作。 ( i n l a n de n c 编码指南为如何制作连续一致的内河电子航道图提供了详尽 的依据。该规范具有以下特性： 1 ) 该规范充分利用了s 5 7 标准，特别是e n c 产品规范、i h o 物标类目、物 标类目使用方法； 2 ) 该规范中的规定是能够在内河水道中实现安全导航的最基本的要求； 3 ) 该规范为各类i e n c 数据的编码提供了推荐的物标、属性及值域： 4 ) 该规范包括一套注册机制，能够为真实世界中新增的地理要素提供新的物 标、属性和值域； 5 ) 该规范可以利用开放的e c d i s 论坛进行交流，并作为新增物标、属性及 值域的注册机制； 6 ) 该规范会与将来的i h os 1 0 0 标准保持衔接【3 6 】。 澜沧江船舶航行诱导系统关键技术研究 ( 2 ) 我国内河电子航道图标准 我国目前的内河电子航道图标准有：重庆港航管理局与大连海事大学共同制 定的我国内河电子航道图数据和显示标准讨论稿、我国长江航道局2 0 0 8 年制 定的长江电子航道图制作规范以及由交通运输部科学研究院、长江航务管理 局等多家单位承担的、在2 0 11 年4 月刚刚通过验收的科技项目“西部内河电子航 道图标准技术研究”的项目研究成果内河电子航道图数据交换标准。 1 ) 我国内河电子航道图数据和显示标准讨论稿 在2 0 0 7 年，重庆市港航管理局与大连海事大学依托于课题“内河标准电子航 道图生成技术及显示处理引擎研究”，以国际水道测量数据传输标准( s 5 7 ) 和欧 洲内河电子江图显示与信息系统相关标准为基础，参考我国内河助航标志标准， 研究制定了适合我国内河航道特点的电子航道图数据和显示标准草案，并按照此 标准对长江干线航道的纸图和其它原始测量资料进行了数字化处理和编辑，解决 了将航道图从地图格式向标准格式转换的关键技术问题，形成了长江干线标准电 子航道图图库。 2 ) 长江电子航道图制作规范 该规范主要包含四个部分的内容：长江电子航道图数据传输标准( c j 5 7 ) 、 长江电子航道图显示规范( c j - 5 2 ) 、长江电子航道图e n c 数据有效性检验标准 ( c j 5 8 ) 、长江电子航道图数据保护规范( c j 6 3 ) 。 规范的制定遵循实用性、一致性原则，数据传输标准( c j 5 7 ) 部分是在s 5 7 理论模型、数据结构和产品规范约束下扩展了s 5 7 物标分类及属性定义，根据长 江上航行船舶的实际需要增补了有关数据格式转换标准和物标编码标准。 3 ) 内河电子航道图数据交换标准 该标准参考我国内河航道地理信息要素分类体系，将内河航道中地物要素按 物标分类的方式进行归类总结，形成了我国内河航道物标分类体系。在此基础上， 借鉴北美欧洲( i n l a n de n c 编码指南的编制思路，充分利用i h os 5 7 现 有物标与属性对物标分类系统中的内容进行编码，在现有物标与属性不能满足编 码要求的情况下，新增物标、属性及属性值域。 第2 章澜沧江船舶航行诱导系统相关知识介绍 要素分类与代码、要素分层、物标类目、要素与物标分类对照四部分组成了 内河电子航道图数据交换标准。该标准是我国目前最新的内河电子航道图数据 准，能够为目前内河电子航道图交换和共享较为混乱的市场提供可以参照的标 和规范。 4s - 5 7 内河电子航道图显示控件 s 5 7 内河电子航道图显示控件是由重庆市港航管理局与大连海事大学基于 内河标准电子航道图生成技术及显示处理引擎研究”课题合作开发的，显示引 擎提供了在w i n d o w sc e 下便于嵌入式( e v c ) 开发工具使用的动态链接库 ( d l l ) 版本、用于j a v a 二次开发使用的d l l 版本和便于v c 开发工具进行二 次开发使用的o c x 版本。显示引擎由数据转换模块、数据更新模块、显示模块、 用户控制模块、应用数据管理模块、应用操作模块、s 5 2 显示风格模块以及扩充 的内河符号库八个模块构成，各个模块问的关系如图2 1 0 所示。 航道图显示处理 模块 应用数据管理模块 图2 1 0s 5 7 显示引擎各个模块间关系 f i g 2 1 0r e l a t i o n s h i pb e t w e e nm o d u l e so fs - 5 7d i s p l a yc o n t r o l 显示引擎扩充了内河符号库，扩充的符号库设计为一个t r u e t y p e 字体库。 一1 8 嵩c o s 5 肛1 8 t 2 + t 4 + 1 4 r 2 5 8 7 2 t 2 式2 1 中力为经度与投影带中央经度线之间的经差，x 为0 妒的子午线弧长， 为卯酉圈曲率半径，k 与r 可由公式2 2 计算。 式中，尼：l + 三e 2 + 笪p 4 丘：三p z + 堕一 疋：堕 x = 口( 1 - - e 2 ) ( k 缈一圭s 哪2 q o + 1 k 3 s i n 4 缈) ：1 丝一 ( 2 2 ) 1 一p 2s i n 2 妒 r = p c o s 其中，a 为地球椭球体长半径，e 为地球椭球体第一偏心率，p 第二偏心率。 在得到点的地理经纬度坐标后，利用公式2 1 2 2 便可计算到点的对应高斯平面 坐标【3 7 3 8 1 。 第3 章基于t i f f 图片的澜沧江电子航道图制作 第3 章基于t lf f 图片的澜沧江电子航道图制作 要实现船位实时地在江图上显示，实时的船位与电子江图都是必不可少的。 时船位可以从g p s 接收机上获得，但是目前仅有t i f f 格式的澜沧江手绘航行 ，因此还需要以手绘图为基础制作新的、具有坐标信息的澜沧江电子江图。 基于t i f f 图片的澜沧江电子航道图制作方法如下：首先在d k a r ti m a g e 下对 像进行配准校正，然后在d k a r te d i t o r 中对校正后的图像采用屏幕矢量化的方 制作满足s 5 7 标准的澜沧江电子航道刚3 1 1 。 3 1 制图工具软件介绍 课题组采用d k a r te d i t o r 系列软件，d k a r te d i t o r 软件是挪威h y d r os e r v i c e 公 司开发的d k a r to f f i c e 系列软件中的一部分。该系列软件是专门为了生产、维护 电子海图和其它航海出版物而设计的，基于创新的数字海道测量技术以达到航海 出版物的规范要求和s 5 7 标准要求。软件功能强大，但操作界面简单，操作人员 不需要拥有很深的专业知识。同时它有强大的测试工具，能够确保生产出的产品 满足规定标准。d k a r te d i t o r 的主要功能是生产、维护矢量电子航海图( e n c s ) ， 该软件能够完全满足s 5 7 标准第3 版、3 1 版，而且它的专用模块可以用来完成 特别任务，例如内河模块：生产维护内河e n c ( 满足欧洲i n l a n de c d i ss t a n d a r d 1 0 2 标准) 。d k a r te d i t o r 具有强大的导入、导出工具，支持一些常见的数据格式 以便与第三方应用程序进行数据交换，例如d x f 、d g n 、s h p 、c s v 、x y z 、 g e o t i f f 以及g m l 等格式的数据。 3 2t i f f 图像配准 3 2 1 地图配准原理 地图配准是为了使地图拼接和坐标点准确而在数字化地图之前对地图进行的 坐标和投影校正，它的实质是进行图像坐标与用户坐标间的坐标系转换。地图配 准有两方面的作用：一是校正图像，减少变形；二是使其具有用户需要的坐标系 【4 2 】。 澜沧江船舶航行诱导系统关键技术研究 t i f f 格式的航行图是由手绘地图扫描得到。图幅配准就是将栅格图的扫描坐 标系与大地坐标建立对应关系，使得数字栅格地图与纸质地图一样，具有大地坐 标可量测性。在具体实现过程中，需要选定地理坐标明确的控制点，设控制点p 在扫描坐标系中的像素坐标为o ，力，在地理坐标系下投影坐标为功，坐标转 换的一般数学模型为 4 3 - 4 5 】： 舷b 0 0 + + b q l x h + b 吃2 y ”+ b 3 x ；鬻麓：i ：- ，【】，=2 + 钆砂+ 玩y 2 + 对于一次多项式拟合，即仿射变换来说，它的实质是两个平面坐标系之间的 转换，仿射变换公式为： x = a l x + a 2 y 扣3( 3 2 ) 【y = b l x + b 2 y + 6 3 一 对于仿射变换，只需知道非线性相关的三对控制点坐标，就可求出待定系数。 但在实际应用中，一般选择四对以上的控制点进行纠正，利用最小二乘法原理， 以提高变换的精剧4 6 1 。 专业的g i s 软件一般都具有地图配准模块，例如m a p l n f o 、a r c g i s 、e r d a s 等，以及本课题使用的d k a r ti m a g e ，它们的配准原理示意图如下【4 7 1 。 投影坐标系 地理坐标 a 膨嗍们 图3 1 地图配准原理示意图 f i g 3 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fm a pg e o r e f e r e n c i n g 一2 l 一 第3 章基于t i f f 图片的澜沧江电子航道图制作 2 2d k a r tim a g e 中配准手绘图 原始手绘图仅仅是对地形、地貌的简单描画，要制作电子江图首先要对其进 地图配准，地图配准是g i s 软件中对栅格图像常用的一种操作。 原始航行图由于是制图人员手工描绘的，外加图上没有坐标信息，因此制作 新电子江图必然会存在一定的误差。为了使误差不致过大，在绘图过程中，通 选取手绘图上比较明显的特征点作为控制点，之后在g o o g l ee a r t h 上提取对应 地理坐标来实现配准。g o o g l ee a r t h 采用w g s 8 4 坐标系，与s 5 7 标准e n c 求的坐标系一致，因此不需要进行坐标系转换。 配准一幅栅格图像时，要输入地理坐标，并指定栅格图像上与该坐标对应的 点( 控制点) 4 8 4 9 。在配准过程中，控制点信息的准确性至关重要。在选取控制 点时，应该首先考虑选择在整幅图形的中心并在四周均匀分布的点。配准一幅图 像至少需要4 个控制点，为了提高配准精度可以适当的增加控制点数目，一般来 说控制点的数量越多，图像精度越高。控制点的选取一般应注意以下原则【泓5 3 1 。 ( 1 ) 应选择在影像上有清晰的、明显的定位识别标志的易于识别的控制点， 如河流分汉口、建筑物边界、道路交叉点等； ( 2 ) 选取的地面控制点上的地物应不随时间而变化，以保证在纠正不同时段 的地图影像时，可以同时识别出来； ( 3 ) 地面控制点也可分布在明显、未变化的地貌上，如山头、沟谷等； ( 4 ) 在配准作业过程中要严格辨认、仔细检查选定的控制点，以确保选点精 度，选择的控制点精度越高，则几何纠正精度越高，任何一个地面控制点的误差 较大，对整个影像的纠正精度都会产生较大的影响。 下面以1 4 节中的手绘图( 图2 1 ) 为例介绍图像配准过程。打开g o o g l ee a r t h ， 找到与图2 1 对应的区域，如图3 2 所示。 澜沧江船舶航行诱导系统关键技术研究 图3 2g o o g l ee a c h 中手绘图2 1 的对应区域 f i g 3 2c o r r e s p o n d i n gr e g i o no ff i g 2 1 结合控制点选取原则，在这幅图像中。选取景洪老大桥、西双版纳大桥四个 端点作为控制点，在g o o g l ee a r t h 对应位置上添加控制点r j ，朋，朋，p t # 如 图3 3 所示，提取四个控制点坐标。 图3 3 选定控制点 f i g 3 3c h o o s ec o n t r o lp o i n t s 获得了控制点坐标后，在d k a r ti m a g e 中通过设置配准的测量学参数( 设置 投影、比例尺、坐标系等) 、设置控制点、地图配准三个步骤后实现原始t i f f 航 第3 章基于1 r i f f 图片的澜沧江电子航道图制作 图的地图配准。 配准过程中要注意的是，在运行第三步“地图配准”之前要定义转换后图像 边界。严格的讲，只有被校正四边形覆盖的区域才能进行坐标配准，四边形以 的原始图像都应该切掉，然而，适当的扩大多边形的边界是很有必要的，例如 要保留原始图像的边框的情况下。图3 4 中绿色斜线部分是添加控制点之后定 义的四边形。 e i i ee d n 豇_ w l n d o tf l e l p o 图3 4 手绘图配准 f i g 3 4h a n d d r 踟ln a v i g a t i 。nc h a r tg e o r e 觚c i n g ， 可以看出仅对定义的四边形内部进行配准是不够的，我们需要以整张图像为 配准目标。通过选择m a x i m i z ec l i p p i n gf r a m e 选项，校正配准的范围扩大至整个 一 图像。之后便可以进行地图配准了，程序显示校正后的图像，如图3 5 所示，屏 幕正上方为正北方向。保存配准后的图像，至此图像配准工作完成【5 4 1 。 澜沧江船舶航行诱导系统关键技术研究 郾l h z 嘲l 羲互i 琵a e 1 1 ee d l tn 1 1 r i d 啊h e l p 。! 堕| 旦 “i p i 尊i 亟倒型蚓：地_ 一= 卫j 黜* q 翻ji x lw i p | 回箍匿互：+ 厂 l 黟：。! 引 ， ! ：喧 1 2：! ：! ! ：! ：罂! ! 塑! ：! 图3 5 手绘图配准完成 f i g 3 5g e o r e f e r e n c e dh a n d - d r a w nn a v i g a t i o nm a p 3 3d k a r te d i t o r 中制作航行图 手绘航行图配准工作完成后，提取航行图的东北角点、西南角点的坐标信息， 在d 胁r te d i t o r 中以东北、西南两点为顶点创建一幅矩形新图。新图创建完成后 进入编辑模式，将配准后的手绘图载入，如图3 6 所示。可以看出，此时窗口中 有两幅图，新建的空图与手绘图，相当于一张透明纸覆盖于一张地图之上。之后 便可以按照s 5 7 对物标分类的要求，以配准后的手绘图为底图，屏幕矢量化航行 图，制作澜沧江s 5 7 航行图。具体作图步骤、e d i t o r 操作方法以及矢量化一幅图 后的数据检查、图幅拼接这里不详细讲述【5 5 1 。 。口面e 二 五五压蠢二1 遁二 匾匠压叵噩叵巫匾二二 甄匠二二匦匠二二五匠二二工亟运e 卫 ；| _ 1 ，z o o - t n 埘p o s i t l _ r _ f 删曲，c t 图3 6 航行图制作 f i g 3 6m a k i n gn a v i g a t i o nc h a r t 3 4 基于s - 5 7 标准的澜沧江物标分类及编码方法 s 5 7 规范电子海图产品中的物标属性及图式对应的是通常所见到的纸图规 范及图式【5 6 】。在绘图过程中，大部分内河物标能用s 5 7 规范中划分的1 8 0 类物标 描述，但在制作澜沧江电子航行图的过程中还会遇到难以用s 5 7 物标描述的对 象，这是由内河水域特点决定的，在绘图过程中需充分注意。例如s 5 7 中航标满 足国际航标协会( i a l a ) 海上浮标系统规定的a 系统、b 系统的要求，但是澜 沧江航标采用的是亚洲及太平洋经济社会委员会( e c o n o m i ca n ds o c i a l c o m m i s s i o nf o ra s i aa n dt h ep a c i f i c ) 下的湄公河委员会( m e k o n gr i v e r c o m m i s s i o n ) 在2 0 0 2 年制定的大湄公河推荐航标系统( r e c o m m e n d e d d st 0 n a v i g a t i o ns y s t e m so i lt h eg r e a t e rm e k o n gr i v e r ) ；内河中的各类电力线、桥梁、 渡口、码头、船闸、水闸、缆索、障碍物等信息；还有一些概念比较模糊的如里 澜沧江船舶航行诱导系统关键技术研究 程线、推荐航线等【5 7 1 。 在绘图中尽量用s 5 7 规范的物标类来描述，同时在注记类属性中加以说明， 以此来方便用户及航道管理者使用。对于内河特有的物标以及难以用s 5 7 规范类 编码的物标，参照2 3 2 节中我国内河电子航道图数据和显示标准讨论稿编码。 在使用2 4 节中的s 5 7 内河电子航道图显示软件来显示按此标准编码制作的电子 江图时，显示软件可以根据用户选择的内河符号显示风格来调用扩充的内河符号 库，按照内河物标显示风格来显示内河物标。 ( 1 ) 航标 当前，海上航标采用的是国际航标协会制定的水上助航标志制度，它分为a 系统、b 系统，我国在a 系统的基础上结合我国情况制定了中国海区水上助航 标志国家标准( g b 4 6 9 6 8 4 ) 1 5 8 。在内河方面，国际上没有统一的内河航标系 统标准，我国虽然对内河水域制定了内河助航标志国家标准( g b 5 8 6 3 9 3 ) ， 考虑到澜沧江的国际属性，为了避免出现在同一条江上设置的航标类型不同的情 况，湄公河委员会制定了大湄公河推荐航标系统，澜沧江流域各国统一了澜沧江 航标标准。 大湄公河推荐航标系统设置了可以单独或组合使用的八种航标，在实际的绘 图过程中，大湄公河航标尽量按照s 5 7 物标分类来编码。八种航标及其编码方法 如下： 侧面标( l a t e r a lm a r k s ) ，用以标示航道的侧面界限，用侧面浮标( b o ，a t ) 或侧面立标( b c n l a t ) 编码。 左右通航标( b i f u r c a t i o nm a r k s ) ，设在航道中个别河心碍航物或航道分汊 处，标示该标两侧都是通航航道，用方位立标( b c ! n c a r ) 或方位浮标( b o y c a r ) 编码，在注记类属性中加以描述区分。 岸标( s h o r em a r k s ) ，分为沿岸标( b a n k w i s em a r k s ) 和过河标( c r o s s i n g m a r k s ) ： 沿岸标( b a n k w i s em a r k s ) ，标示沿岸航道所在的岸别，指示船舶继续沿着本 岸航行，用侧面浮标( b o y l a t ) 来编码，在属性中加以描述； 第3 章基于t i f f 图片的澜沧江电子航道图制作 过河标( c r o s s i n gm a r k s ) ，通常设置在航道由靠近的一岸经过较大改向后靠 另一岸的航道两侧，标示航道方向，用专用立标( b c n s p p ) 或专用浮标 b o y s p p ) 来编码，在属性中加以描述。 禁航区( m a r k so fp r o h i b i t e da r e a ) ，标示禁止船舶驶入，用专用立标 b c n s p p ) 或专用浮标( b o y s p p ) 来编码。 。 r 鸣笛标( s o u n ds i g n a lm a r k s ) ，一般设置在控制河段或上、下行船舶不能 相互通视的急弯航道的上、下游两端河岸上，航行至此的船舶应按指示鸣笛，用- 专用立标( b c n s p p ) 或专用浮标( b o y s p p ) 来编码。 通行信号标( m a r k so f t r a f f i cc o n t r 0 1 ) ，利用信号控制上、下行船舶单向顺 序通行或禁止通航，一般设在上、下行船舶不能相互通视，同向并驶或对驶有危 险的狭窄、急弯航道等河段。用s 5 7i n l a n d e c d i s1 0 2 中的水道立标( b c n w t w ) 编码表示。 桥涵标( m a r k so nb r i d g e ) ，标示通航桥孔的位置。用s 5 7i n l a n de c d i s 1 0 2 中的水道立标( b c n w t w ) 编码表示。 专用标( s p e c i a lp u r p o s em a r k s ) ，主要功能不是为了助航，而是为了标示 影响通航的区域或物标，例如锚地、渔场、水文测量、水下钻探、疏浚作业、排 水口、泵站、娱乐区等。根据具体内容，按照s 5 7 标准物标类编码。 ( 2 ) 里程线 在内河航行中，里程线对驾驶员是重要的航行参考信息，里程线在真实世界 中并不存在，它只是表示航道某处与距离起算点之间沿航道量测的距离信息，本 课题原始航行图中是以景洪老大桥为起算点，沿江而下，以一公里为间距标出了 航道距离。由于在s 5 7 中找不到确切的物标编码里程线，在绘图过程中，以距离 ， 标志( d i s 眦) 来编码。 ( 3 ) 推荐航线 在图1 1 中，航道中心的红色实线表示的是船舶下行推荐航线，用于指导驾 驶员航行，在1 5 2 幅手绘航行图中都存在，对于内河船舶驾驶员，它具有重要的 指导意义。在制作澜沧江s 5 7 电子江图中，用推荐航线类( 1 辽c t r c ) 来编码。 澜沧江船舶航行诱导系统关键技术研究 在沿海或近岸航行中，推荐航线一般都是直线段，它有必备属性o r i e n t ，而在 内河中，航道曲折、方向多变，因此推荐航线的o r i e n t 属性赋值为 。 ( 4 ) 水尺、水文站 s 5 7 物标分类中没有合适的物标编码来表示水尺、水文站，因此在绘图过程 中用昼标( d 躺似a r ) 来编码水尺，在c a t s p m 属性中用“最大船舶吃水标志 ( m a x i m u mv e s s e l sd r a u g h tm a r k ) ”来编码。水文站用单体建筑物( b u i s g l ) 来 编码，属性中加以描述。 ( 5 ) 抽水船 抽水船用趸船( h u l k s ) 来编码，趸船类( c a t h l k ) 属性赋值为 。 ( 6 ) 绞滩桩 在一些水流急的航段，船舶单凭自身动力难以逆江而上，因而在澜沧江水流 湍急处设置了绞滩桩，依靠外界的牵引来协助船舶航行。在绘图过程中，绞滩桩 采用单体建筑物( b u i s g l ) 来编码，属性中加以描述。 ( 7 ) 地名标 地名标对内河航行驾驶员至关重要，可以为驾驶员提供参考信息。地名标用 s 5 7i n l a n de c d i s1 0 2 中的水道立标( b c n w t w ) 编码表示，i n f o r m 属性赋予“l ”， 专用标志类( c a t s p m ) 赋值为 。 现自动的航 舶是上行或 现江段判断 操船而无暇 够实现实时 的判断。 实时、全天 l o m 左右， 线性回归方 直线的距离 y = 口+ 6 ( 4 1 ) 其中，可以根据已知数据及最小二乘法，得出系数a ，b 的值： 6 ：! ! 圣型2 二! 圣型! 圣丝“ n ( e x 2 ) 一( x ) 2 ( 4 2 ) y b x x 口= 二- 一 其中，刀为已知数据的个数。 求得的回归直线与己知数据的吻合程度可以用相关系数厂来表明： i i 澜沧江船舶航行诱导系统关键技术研究 ，：堕丝丝丝鱼l( 4 3 ) 刀( x 2 ) 一( x ) 2 胛( y 2 ) 一( y ) 2 相关系数，的取值范围在( 1 ，1 ) 之间，相关系数的平方，说明回归直线在 多大程度上与己知数据吻合。，愈接近于l ，吻合程度越高。，超过0 8 ，则说明 预测结果较可信；，不到0 2 5 ，则说明预测不可信；，在0 2 5 - 4 ) 8 之间，则说明 预测结果可信度一般【6 2 】。 ( 2 ) 航迹向向量的计算 连续取十个船位点鼻( 薯，乃) ，计算船位点坐标的线性回归直线，如图4 1 所示。 p 图4 1 线性回归直线 f i g 4 1l i n e a rr e g r e s s i o nl i n e 为求航迹向向量，从船位点只( ，咒) 向回归直线做垂线，船位点只与它到回 归直线上的映射点只连线的方程式为： ) ，= 一丢x + 咭1 五+ 乃) ( 4 4 ) 联立式4 1 、4 4 即可求出交点坐标。 计算得到航迹向向量表达式为： 吼箐，紫) 5 ， ， j ， 第4 章船舶沿江上下行自动判断算法设计 f 。 i 可订一i 巧一l b ( y - y j ) + ( x j 一薯) b 2 ( y j - y | f ) + b ( x j 一薯) b 2 + 1 b 2 + 1 2 2 提取澜沧江水流向量 在图2 1 中，航道中心的红色实线表示的是船舶下行推荐航线，存在于景洪 会晒的整个3 4 8 k m 航段。这条航线可以代表整个航段的江水流向。在配准手绘 的同时，通过比对手绘图与g o o g l ee a r t h 影像，在河道上添加一系列连续的转 点( 暇) ，提取转向点坐标，同时将每一个转向点与手绘航行图图号建立对应 系记录，依次相连转向点，将下行推荐航线用连续的线段表示出来，顺序两两 相邻的转向点构成的向量丽甄代表此两点间的江水主流向，如图4 2 所示。 4 3 船舶上下行手i j 断 图4 2 江水流向向量 f i g 4 2r i v e rf l o wv e c t o r 4 3 1 上下行判断方法 根据g p s 船位计算船舶航迹向向量虿霄，假设此时船舶航行于图4 2 中呢、 呢+ 。之间的航段，则用航迹向向量与航段水流向量做点积，如公式4 7 ，即计算 后值。 。 k = 可牙衍霸爵 ( 4 7 ) 若k 0 ， 则船舶航迹向向量与水流向量之间夹角小于9 0 。，认为船舶下行。 澜沧江船舶航行诱导系统关键技术研究 4 3 2 水流向量选取方法 从式4 7 中可以看出，要判断船舶的上下行，仅有根据g p s 船位计算得到的 航迹向向量是不够的，还需要知道船舶航行位置处的水流向量丽瓦，方向向 量按以下步骤来选取。 ( 1 ) 计算与船位距离最近的转向点呢 计算两点间的距离可直接使用两点的地理坐标，计算公式为【6 3 】： d = a r c c o s s i n 仍s i n 仍+ c o s 仍c o s 缈2c o s ( 以一 ) 】 ( 4 8 ) 计算所有转向点与船位间的距离，求得距离最近的转向点呢。 ( 2 ) 选取水流向量 如图4 3 所示，以转向点呢为端点的水流向量有两个：励弼与丽瓦。 图中，口6 为垂直于线段呢暇+ 。的直线，耐为垂直于线段呢一。吧的直线，直线 动、甜将以呢为圆心的圆分割为四个区域。 + 2 黟碌l 图4 3 计算向量的选取 f i g 4 3c a l c u l a t ev e c t o rs e l e c t i o n 自船位点p 分别向线段暇暇+ 。、暇一。暇做垂线，根据垂足位置可以分为 第4 章船舶沿江上下行自动判断算法设计 下四种情况： 1 ) 船位只位于区域1 ，垂足分别落在线段鸭吧+ 。内、线段呢一。暇延长线 ，以向量丽弼为判断船舶上下行的船位处水流向量； 2 ) 船位只位于区域2 ，垂足均落在线段暇呢+ ，、呢一。呢内部，分别计算 线段长度，以垂线段长度小所指向的向量为判断船舶上下行的船位处水流向量； 3 ) 船位只位于区域3 ，垂足分别落在线段呢一。呢内、线段呢呢+ 。延长线 ，以向量丽丽为判断船舶上下行的船位处水流向量； 4 ) 船位只位于区域4 ，垂足均落在线段暇呢+ 。、呢一。暇延长线上，以垂 线段长度大所指向的向量为判断船舶上下行的船位处水流向量。 ， f 冬 澜沧江船舶航行诱导系统关键技术研究 第5 章澜沧江船舶航行诱导系统实现方案 5 1 澜沧江船舶航行诱导系统软件资源整合方案 诱导系统软件资源包含澜沧江电子航道图数据库、内河电子航道图显示软件、 澜沧江船舶航行诱导系统知识库以及船舶上下行判断算法四部分。诱导系统最终 要通过对资源的有效整合，读取g p s 船位信息，一方面实现在电子江图上实时地 显示船舶航行信息，另一方面以船舶上下行判断算法为桥梁，根据g p s 船位判断 船舶在手绘图中的航段信息及航行方向，知识库根据判断结果，自动显示对应航 段的手绘航行图，自动播放数据库中存储的对应的上下行音频航行指导信息，船 员也可以查看知识库中的航道概况、碍航情况、航段水流情况等文本信息。诱导 系统软件资源整合方案如图5 1 所示。 图5 1 软件资源整合方案 f i g 5 1s o f t w a r e r e s o u r c ei n t e g r a t i o ns o l u t i o n s ( 1 ) g p s 船位信息读取 n m e a 0 1 8 3 协议是美国国家海洋电子协会为海用电子设备制定的标准格式， 目前已成为g p s 导航设备统一的标准协议【6 4 1 。采用基于c o m 技术的串口通信来解 析g p s 语句，获得相应的船位信息。 圹暑， 第5 章澜沧江船舶航行诱导系统实现方案 ( 2 ) 电子海图单元的选择 e n c 中存储的电子海图，一般要根据比例尺的不同划分成几个比例尺级别， 种比例尺级别的e n c 单元都有一个目录文件。在应用时根据显示比例尺决定使 哪个比例尺级别的海图，即选择哪个目录文件。目录文件中的每条记录包含了 元的名称及其所覆盖的地理区域，因此，顺序搜索目录文件的每条记录，判断 示区域是否与该单元相交，即可找到覆盖显示区域的所有电子航海图单元，获 单元名序列。 ( 3 ) 根据上下行判断算法链接知识库 读取到g p s 信息后，调用第四章介绍的船舶上下行判断算法，将判断得到的 船舶所处航段以及上或下行方向信息发送到澜沧江船舶航行诱导系统知识库，知 识库自动查询相对应航段，显示航段图形、文本等航行指导信息，同时播放对应 的音频上下行基本航法、航行注意事项，以图形、文本、语音的方式提供航行指 导信息。 5 2 船载终端样机硬件设计方案 本课题拟采用嵌入式系统开发澜沧江船舶航行诱导系统辅助船载终端样机， 在满足系统各项功能需求的基础上尽量降低制造成本。系统采用嵌入式处理器平 台a r m 9 处理器和w i n d o w sc e 操作系统，硬件上包含c p u 、c f 卡、串行通信接 口、显示屏、语音卡等，制造出澜沧江船舶航行诱导系统船载终端样机。 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适用于 应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统6 5 - 6 6 1 。 它一般由以下几部分组成： ( 1 ) 嵌入式处理器 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，是控制、辅助系统运行的硬件单元。嵌 入式处理器与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应 用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源 实现嵌入式应用的特殊要求。和工业控制计算机相比，嵌入式处理器具有体积小、 重量轻、成本低、可靠性高的优点。本课题在开发澜沧江船舶航行诱导系统辅助 - f 澜沧江船舶航行诱导系统关键技术研究 船载终端样机时拟选用a r m 9 系列处理器 6 7 - 6 8 】。 ( 2 ) 外围硬件设备 嵌入式系统硬件层中除嵌入式处理器外一般还包含存储器( s d r a m 、r o m 、 f l a s h 等) 、通用设备接口和i o 接口。要开发的船载终端样机在嵌入式处理器基础 上添加电路系统就构成了嵌入式核心控制模块，硬件上还要包含c f 卡( 存储器) 、 串行通信接口( 连接g p s 接收机) 、显示屏( 显示江图、文字等信息) 以及语音卡 ( 播放语音信息) 等。 ( 3 ) 嵌入式操作系统 采用w i n d o wc e 操作系统，它是微软公司嵌入式、移动计算平台的基础，是 一个开放的、可升级的操作系统。 ( 4 ) 特定的应用程序 特定的应用程序主要是用户开发的具有针对性的程序。在本课题中有澜沧江 电子江图图库及s - 5 7 电子航道图显示软件、船舶上下行判断算法以及澜沧江船舶 航行诱导系统知识库【6 9 。7 1 1 。 痧，i摹j、 第6 章总结与展望 第6 章总结与展望 江上湄公河国际航运尚处于发展阶段，山区河流通航条件险 ，航运基础设施落后，船员培养方式原始，无可供船舶引航操作 这些不利因素都给船舶的安全航行带来威胁。此外，近年来高速 输船的投入使用，水上交通混合流更加复杂多样。为有效降低通 航环境风险因素，提升驾驶员获取航行关键信息的能力，本文借鉴公路智能交通 领域常见的“路径诱导方法，将诱导的概念引入到水上运输，做了以下工作t ( 1 ) 以澜沧江1 5 2 张t i f f 格式手绘航行图为基础，通过比对g o o g l ee a r t h 影像进行了图像配准、参照我国内河电子航道图数据和显示标准讨论稿以手 工屏幕矢量化的方法建设了能供船舶航行使用的澜沧江s 5 7 电子航道图图库。 ( 2 ) 设计并实现了自动判断船舶上或下行的算法，能够根据g p s 船位数据自 动判断船舶位于航行图中的某一航段，并且能够根据船位序列自动判断船舶的上、 下行方向。 ( 3 ) 整合了澜沧江船舶航行诱导系统知识库与电子江图助航系统，建立了澜 沧江船舶航行诱导系统，能够根据上下行算法的判断结果，自动链接知识库，以 图形、文字、语音的方式实时地给驾驶员提供航行指导信息，有效地保障了船舶 航行安全。 6 2 展望 本文是在澜沧江手绘航行图的基础上制作电子航道图，难免不够准确。目前， 我国在内河电子航道图方面还没有正式颁布可用于各大江河的通用标准，电子航 道图制作标准不一。基于以上两方面原因考虑，有待行业正式标准出台后，重新 制作供船舶航行使用的澜沧江电子航道图。 j 净 r i 澜沧江船舶航行诱导系统关键技术研究 后记 本文的数据资料来源于大连海事大学与云南省交通厅西双版纳海事局科技项 目“澜沧江一上湄公河船舶航行诱导系统关键技术研究”。本人在研究生入学前便 跟随导师张英俊教授、李阳老师多次到昆明市、景洪市进行项目实地调研。项目 分两期进行，一期主要工作包括澜沧江航行图航行信息的丰富完善以及澜沧江船舶 航行诱导系统知识库的建设，一期项目已经于2 0 0 9 年1 0 月通过验收，本文所做 的s 5 7 航道图制作、上下行算法设计等工作是为二期的推广应用项目做准备。 文中使用的“s 5 7 内河电子航道图显示控件”、我国内河电子航道图数据和 显示标准讨论稿是由重庆市港航管理局与大连海事大学基于“内河标准电子航 道图生成技术及显示处理引擎研究”课题共同合作完成。 ：y-。j，、 参考文献 参考文献 】陈茜澜沧江- 湄公河流域基础资料汇编【m 】昆明：云南科技出版社，2 0 0 0 】王海潮澜沧江- 湄公河建设国际航运“大通道”【j 】中国海事，2 0 0 6 ，( 2 ) ：1 4 - 1 5 【3 】王云祥澜沧江湄公河国际航运开发概况与建议 j 】交通科技，2 0 0 1 ，( 1 ) ：2 6 2 - 2 6 3 【4 】刘礼花用s w o t 法浅析澜沧江湄公河水运合作【j 】东南亚纵横，2 0 0 7 ，( 6 ) ：1 5 2 0 【5 】m a r kc o l a , a r g u sa n g s o m el o g i s t i c sr e a l i t i e si ni n d